钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系
预制钢结构房屋中的应用
文/张爱琳
概括
首钢二通厂区南区棚户区改造定向安置房项目1#住宅楼（24层）采用钢框架（钢管混凝土柱+H型钢梁）+抗屈曲钢板剪力墙的装配式钢结构体系。本文对所选结构抗侧力构件为抗屈曲钢板剪力墙、中心支撑、组合钢板剪力墙的结构体系进行计算分析，并对不同结构体系的关键技术指标进行对比。同时，通过有限元模型研究了抗屈曲钢板剪力墙连接梁刚度变化对钢板剪力墙受力性能的影响，并针对抗屈曲钢板剪力墙对钢梁的局部影响提出了加固措施。 结果表明:与其他结构体系相比,钢框架+抗屈曲钢板剪力墙体系的结构体系布置更加灵活,材料成本较低,且设置抗屈曲钢板剪力墙更有利于结构的抗扭;实际工程中,按规范设计的抗屈曲钢板剪力墙能够满足承载力和安全性的设计要求;设置局部加劲肋、加强框架梁腹板厚度等措施,可以延缓钢梁应力的增加,减少钢板剪力墙对钢梁局部的影响。
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介绍
钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系是一种融合了钢框架和抗屈曲钢板剪力墙结构优点的新型结构体系[1]。该体系由边框架、预埋钢板、预制混凝土板、拉螺栓和鱼尾板组成。预埋钢板和框架组成双重抗侧力体系。它的初始刚度和承载力较大，具有良好的耗能能力，已被证明是一种优良的抗震结构。它也特别适用于高烈度地区[2]。抗屈曲钢板剪力墙是在钢板剪力墙基础上发展起来的一种新型抗侧力构件。该构件在钢板两侧增加混凝土盖板，并利用拉螺栓将钢板与两块混凝土板连接在一起。 在荷载作用下，混凝土板可以抑制钢板剪力墙的平面外失稳，从而形成抗屈曲钢板墙，从而提高钢板剪力墙的抗震性能[3]。高层钢结构住宅建筑中，门窗洞口较多，抗侧力构件的布置相对困难，但抗屈曲钢板剪力墙平面布置较为灵活[4-5]。
在实际工程应用中，钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系应用还不是很广泛，也存在一些问题有待解决。本文以首钢二通厂区南区棚户区改造定向安置房项目1#住宅楼（24层）为例，研究采用钢框架（钢管混凝土柱+H型钢梁）+抗屈曲钢板剪力墙的装配式钢结构体系，并将钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系与其他同类结构体系进行对比分析；同时对抗屈曲钢板剪力墙（图1）实际应用中存在的问题进行分析，并提出应对措施。
图1 抗屈曲钢板剪力墙
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项目概况
首钢二通厂南区改造定向安置房项目（图2）为位于北京市丰台区的装配式钢结构项目，总建筑面积为83091.33m2。住宅部分包括1#至4#栋。结构设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度（0.2g），设计地震组别为2组，场地土类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s，地面粗糙度类别为乙类，基本风压为0.45kN/m2。本文研究本项目1#栋典型结构体系。1#栋地下2层，每层高度为3.30m；地上24层，均为标准层（图3），高度为2.90m。 采用钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系，框架柱为钢管混凝土柱，梁为H型钢梁，混凝土强度等级为C40~C70，柱、梁、墙体钢材均为Q345C，地上层板厚130mm。
为研究不同抗侧力构件对结构性能的影响，本文对抗侧力构件分别由抗屈曲钢板剪力墙、中心支撑、组合钢板剪力墙组成的结构体系进行了计算分析；同时为研究钢板剪力墙布置方式对结构整体性能的影响，分别对抗屈曲钢板剪力墙布置在结构周边和隔墙内周边+的情况进行了计算分析。
图2 建筑效果图
图3 1#住宅楼标准层平面布置图
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结构体系比较
2.1 钢框架+抗屈曲钢板剪力墙与钢框架+中心支撑对比
钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系和钢框架+中心支撑结构体系计算模型的结构平面布置如图4所示，两种结构体系关键技术指标计算结果如表1所示。由表1可以看出，在结构最大层间位移角、扭转位移比相近且各项指标均能满足规范极限要求的情况下，钢框架+中心支撑结构体系较钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系增加钢材用量约2.8kg/m2钢结构住宅刊物，自密实混凝土用量约20m3。
图4 结构平面布置
此外，由于该住宅结构外墙洞口较多，不宜布置中央支撑，只能在核心筒及结构隔墙内布置支撑。同时，由于中央支撑与钢柱夹角在35°~55°时较为适宜[6]，钢框架+中央支撑结构体系需要在原有结构布置基础上增设钢柱，增设的梁柱对建筑使用功能会产生一定的影响。因此，钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系在高层装配式钢结构住宅项目应用中更具有优势。
钢框架+抗屈曲钢板剪力墙及钢框架+中心支撑结构
主要技术指标对比表1
2.2 钢框架+抗屈曲钢板剪力墙与钢框架+组合钢板剪力墙比较
钢框架+组合钢板剪力墙结构体系计算模型结构平面布置图如图5所示，两种结构体系关键技术指标计算结果如表2所示。从表2可以看出，两种结构体系的最大层间位移角均可满足《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ 3-2010）[7]和《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016年版）[8]中1/800和1/250的限值要求。在结构受力性能指标均能满足规范限值要求且与限值差异较小的情况下，钢框架+组合钢板剪力墙在X和Y方向的底部剪力和倾覆弯矩均大于钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系。因此，前者对底部预埋端的设计要求更高。 此外，该结构体系的结构构件材料用量进一步增加，组合钢板剪力墙的加工制作及现场墙体混凝土的浇筑也会增加工程造价。
综合以上分析，钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系在高层装配式钢结构住宅项目应用中较钢框架+组合钢板剪力墙结构体系具有明显的优势。
图5 钢框架+组合钢板剪力墙结构平面布置图
2.3 抗屈曲钢板剪力墙不同布置方案比较
为了研究抗屈曲钢板剪力墙布置方式对结构整体性能的影响，抗屈曲钢板剪力墙的尺寸和数量不变，将部分抗屈曲钢板剪力墙的布置位置由结构外围(图4(a))改为外围+隔墙位置，如图6所示。
钢框架+抗屈曲钢板剪力墙、钢框架+组合钢板剪力墙
主要技术指标对比表2
图6 钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构平面布置图（外围+分户墙）
两种布置方式关键技术指标计算结果如表3所示。从表3可以看出，当部分抗屈曲钢板剪力墙布置在外围+隔墙位置时，结构的二阶振型出现扭转，说明该布置方式下结构的扭转刚度不足；结构在X和Y方向的最大层间位移角较抗屈曲钢板剪力墙布置在结构外围的情况增大了61%，Y方向的最大层间位移角大于1/250[8]；当部分抗屈曲钢板剪力墙布置在外围+隔墙位置时，结构扭转位移比与抗屈曲钢板剪力墙布置在结构外围时相差不大。 可以看出，相同尺寸和数量的抗屈曲钢板剪力墙布置在结构外围时，可以提供更大的刚度，提高结构的抗倾覆能力，减少结构扭转，使结构受力更加合理。
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抗屈曲钢板剪力墙设计中存在的问题及对策
3.1钢梁约束条件对钢板剪力墙性能的影响
现有的双侧抗屈曲钢板剪力墙力学性能模拟分析与试验中，均假设钢梁对剪力墙给予刚性约束。
抗屈曲钢板剪力墙不同布置方案关键技术指标对比表3
国内标准对钢梁的刚度没有做出具体要求，美国标准[9]要求四边连接的非加劲钢板剪力墙，与剪力墙连接梁的惯性矩不应小于0.003 1L4/h，式中L为约束墙柱中心线距，h为约束墙柱轴线距。可见，剪力墙的承载力与钢梁的刚度密切相关。
为此，本文分析了钢梁连接剪力墙对钢板剪力墙受力性能的影响，针对本工程抗屈曲钢板剪力墙及相应的框架梁、柱，利用ABAQUS软件进行整体水平静力有限元分析，并与无限大梁刚度的分析结果及规范计算结果进行了对比。
钢板剪力墙承载力Fw由有限元分析得到的纯框架承载力Ff减去带剪力墙框架承载力Fc得到，如公式（1）所示。
Fw=Ff-Fc
（1）
剪力墙的设计承载力和设计刚度分别按公式（2）和公式（3）[10]计算。钢板剪力墙有限元分析荷载-位移曲线与规范值对比如图7所示。
图7 钢板剪力墙荷载-位移曲线
（2）
（3）
式中：Kw为钢板剪力墙设计刚度；E为钢材弹性模量；tw为钢板剪力墙厚度；ν为泊松比。
如图7所示，剪力墙的设计刚度为：普通梁Kw=78kN/mm，刚性梁Kn=175kN/mm，相差124%。可以看出，梁的刚度对钢板剪力墙的极限承载力和侧向刚度有明显的影响，尤其是弹性阶段钢板剪力墙的侧向刚度。将标准值与刚性梁的计算值对比可知，按公式（3）计算的侧向刚度与梁为刚性时的结果基本一致。无论梁是否为刚性，其设计承载力均低于刚性梁和普通梁的结果；梁的刚度对剪力墙的侧向刚度有一定影响。 在实际工程设计中，由于梁柱截面、剪力墙规格对剪力墙力学性能的影响不同钢结构住宅刊物，应根据具体情况考虑梁刚度对剪力墙侧向刚度的影响。
3.2 钢板剪力墙对钢梁的影响
无论何种形式的抗屈曲钢板剪力墙体系，在剪力墙两端与梁的相交处都会存在较大的应力。为研究钢板剪力墙对连接钢梁的影响，本文建立了三组不同参数的有限元模型分析钢梁的应力状态变化，分别为普通梁框架模型（图8（a））、局部加劲肋框架梁模型（图8（b））和局部加劲肋及梁腹板加厚框架模型（图8（c））。
图8 钢梁应力分析结果/MPa
如图8(a)所示，在一定位移下，与剪力墙连接的钢梁腹板主应力较大；当钢梁在此区域设置局部竖向和横向加劲肋时，该区域应力减小，如图8(b)所示；当钢梁腹板进一步加厚时，该区域最大应力明显减小，如图8(c)所示。可见，为减小钢板剪力墙对钢梁局部的影响，可在与剪力墙连接的钢梁腹板上设置加劲肋，并增加钢梁腹板厚度。
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综上所述
（1）钢框架+中心支撑结构体系、钢框架+组合钢板剪力墙结构体系相比，钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系布置更加灵活，更适用于门窗洞口较多的高层装配式钢结构住宅建筑。
（2）与钢框架+组合钢板剪力墙结构体系相比，钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系底部剪力、倾覆弯矩等较小，用钢和混凝土较少，工程造价较低。
（3）抗屈曲钢板剪力墙的布置对结构扭转影响较大，在结构外围布置同等尺寸、数量的抗屈曲钢板剪力墙，可以提供较大的刚度，增加结构抗倾覆能力，减少结构扭转。
(4)钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系中梁的刚度对剪力墙侧向刚度有一定影响，且影响程度随梁、柱截面形状和剪力墙规格不同而变化。
（5）受钢板剪力墙影响，与剪力墙连接区域的钢梁腹板主应力较大，在此区域设置加劲肋、加厚腹板，可有效缓解该区域梁的应力，减少钢板剪力墙对钢梁局部的影响。
参考
[1] 余金光, 郝吉平, 崔洋洋, 等. 半刚性框架-抗屈曲钢板剪力墙结构抗震性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2014, 47(6): 18-25, 87.
[2] 郭延林, 周明. 无加劲屈曲约束钢板剪力墙性能与设计理论研究现状[J]. 建筑结构学报, 2011, 32(1): 1-16.
[3] 李国强,刘文阳,陆晔,等.双连接防屈曲钢板剪力墙受力机理及等效支撑模型[J].建筑结构学报,2015,36(4):33-41.
[4] 边浩. 双面连接抗屈曲钢板剪力墙结构简化计算模型研究[J]. 工程建设与设计, 2018(13): 29-31.
[5] 袁妮飞, 张磊, 李红光. 钢框架-抗屈曲钢板剪力墙在装配式钢结构住宅中的应用[J]. 建筑结构, 2020, 50(1): 91-95.
[6]高层民用建筑钢结构技术规范:JGJ 99—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.
[7] 高层建筑混凝土结构技术规范:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[8] 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010[S]. 2016年版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
[9]钢结构建筑的抗震规定: ANSI /AISC 341-10 [S].芝加哥:美国钢结构协会, 2010:71-72。
[10]钢板剪力墙技术规程:JGJ/T 380—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.
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关于作者
张爱林，教授，博士生导师，教育部“大型土木工程与地下建筑工程创新”创新团队带头人，北京学者。兼任北京市自然科学基金委员会委员、中国钢结构协会副会长、教育部高等学校实验室建设专业指导委员会、教育部高等学校工程训练专业指导委员会副主任委员、中国城市科学研究会副会长、中国高等教育学会常务理事、港澳金属结构协会顾问、《建筑结构》编委。
主要从事现代大跨度预应力钢结构、装配式钢结构体系创新与应用研究，发表SCI/EI论文100余篇，授权国家发明专利90项，近十年获国家、省部级科技奖励8项。近十年主持国家、省部级科研项目10余项，包括：国家自然科学基金面上项目《大跨度预制脊环撑索穹顶结构新体系及关键性能研究》、十三五国家重点研发计划子项目《模块化钢结构多高层住宅建筑体系设计技术研究》、北京市自然科学基金重点项目《轻型预制多高层住宅预应力钢结构体系创新基础研究》。 是国家行业标准《预应力钢结构技术标准》、地方标准《装配式斜支撑节点钢框架结构技术规范（DBJ43/T311-2015）》、团体标准《全预制多层钢结构技术标准》的主编；参与国家标准《钢结构设计标准（GB50017-2017）》、行业标准《JGJT466-2019 轻型模块化钢结构组合房屋技术标准》、行业标准《钢结构高强度螺栓连接技术规范（JGJ 82-2011）》的编制。
本文发表于《建筑结构》2021年第17期，题为《钢框架+抗屈曲钢板剪力墙结构体系在装配式钢结构住宅中的应用》，作者：张爱琳、苏磊、曹志良、濮双辉、林海鹏；单位：北京工业大学土木工程学院、北京工业大学北京市高层大跨度预应力钢结构工程技术中心、北京建投投资发展（集团）有限公司。敬请查收！
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